1. Introduction
L'EVA est l'abréviation de copolymère d'éthylène-acétate de vinyle, un polymère polyoléfinique. Grâce à sa basse température de fusion, sa bonne fluidité, sa polarité et l'absence d'halogènes, il est compatible avec divers polymères et poudres minérales. Il présente un bon équilibre entre ses propriétés mécaniques, physiques et électriques, ainsi que ses propriétés de mise en œuvre. Son prix est abordable et l'offre sur le marché est suffisante. De ce fait, il peut être utilisé comme matériau d'isolation pour câbles, comme charge ou comme matériau de gainage. Il peut également être transformé en matériau thermoplastique ou en matériau thermodurcissable réticulé.
L'EVA, matériau à large spectre d'utilisations, associé à des retardateurs de flamme, peut être transformé en barrière à faible fumée, sans halogène ou à combustible halogène ; en choisissant un EVA à haute teneur en VA comme matériau de base, il peut également être transformé en matériau résistant à l'huile ; en choisissant un EVA à indice de fusion modéré, auquel on ajoute 2 à 3 fois la charge de retardateurs de flamme EVA, on peut obtenir un matériau barrière à l'oxygène (charge) plus équilibré en termes de performances et de prix lors du processus d'extrusion.
Cet article aborde les propriétés structurelles de l'EVA, son application dans l'industrie du câble et ses perspectives de développement.
2. Propriétés structurales
Lors de la synthèse, la modification du rapport de degré de polymérisation n/m permet d'obtenir une teneur en VA de 5 à 90 % d'EVA ; l'augmentation du degré de polymérisation total permet d'obtenir une masse moléculaire d'EVA allant de plusieurs dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers ; une teneur en VA inférieure à 40 %, due à la présence d'une cristallisation partielle, entraîne une faible élasticité ; on parle alors de plastique EVA ; lorsque la teneur en VA est supérieure à 40 %, il s'agit d'un élastomère caoutchouteux sans cristallisation, communément appelé caoutchouc EVM.
1.2 Propriétés
La chaîne moléculaire de l'EVA est une structure linéaire saturée, ce qui lui confère une bonne résistance au vieillissement thermique, aux intempéries et à l'ozone.
La chaîne principale de la molécule EVA ne contient ni doubles liaisons, ni cycles benzéniques, ni groupes acyle ou amine, ni aucun autre groupe susceptible de produire de la fumée lors de la combustion. De même, ses chaînes latérales ne contiennent pas de groupes méthyle, phényle ou cyano, qui favorisent la combustion et donc la production de fumée. Par ailleurs, la molécule elle-même ne contient pas d'halogènes, ce qui la rend particulièrement adaptée aux combustibles résistifs sans halogène et à faible émission de fumée.
La taille importante du groupe acétate de vinyle (VA) dans la chaîne latérale de l'EVA et sa polarité moyenne lui permettent à la fois d'inhiber la cristallisation du squelette vinyle et de favoriser une bonne incorporation des charges minérales, créant ainsi les conditions idéales pour l'obtention de combustibles barrières haute performance. Ceci est particulièrement vrai pour les résines à faible émission de fumée et sans halogène, car l'ajout de retardateurs de flamme à plus de 50 % en volume [par exemple Al(OH)₃, Mg(OH)₂, etc.] est nécessaire pour répondre aux exigences des normes de câblage en matière de résistance au feu. L'EVA à teneur moyenne à élevée en VA est utilisé comme base pour produire des combustibles ignifuges à faible émission de fumée et sans halogène, aux propriétés exceptionnelles.
Le groupe acétate de vinyle (VA) de la chaîne latérale de l'EVA étant polaire, plus sa teneur est élevée, plus le polymère est polaire et meilleure est sa résistance aux huiles. La résistance aux huiles requise par l'industrie du câble concerne principalement la capacité à résister aux huiles minérales non polaires ou faiblement polaires. Selon le principe de compatibilité similaire, l'EVA à forte teneur en VA est utilisé comme matériau de base pour produire une barrière anti-carburant à faible émission de fumée et sans halogène, présentant une bonne résistance aux huiles.
Les molécules EVA, grâce à leurs performances accrues au niveau de l'atome d'hydrogène de l'alpha-oléfine, présentent une réactivité plus importante. Sous l'effet des radicaux peroxydes ou du rayonnement électronique à haute énergie, elles peuvent facilement subir une réaction de réticulation H, formant ainsi un plastique ou un caoutchouc réticulé, et répondant aux exigences de performance élevées des matériaux spéciaux pour fils et câbles.
L'ajout du groupe acétate de vinyle abaisse significativement la température de fusion de l'EVA, et le nombre de chaînes latérales courtes de VA augmente sa fluidité. Par conséquent, ses performances d'extrusion sont bien supérieures à celles du polyéthylène de structure similaire, ce qui en fait un matériau de base privilégié pour les matériaux de blindage semi-conducteurs et les barrières anti-combustibles halogènes et sans halogène.
2 Avantages du produit
2.1 Rapport coût-performance extrêmement élevé
L'EVA possède d'excellentes propriétés physiques et mécaniques, ainsi qu'une très bonne résistance à la chaleur, aux intempéries, à l'ozone et des propriétés électriques remarquables. En choisissant la qualité appropriée, on peut obtenir un matériau résistant à la chaleur et ignifuge, mais aussi un matériau spécial pour câbles résistant aux huiles et aux solvants.
Le matériau thermoplastique EVA est généralement utilisé avec une teneur en VA de 15 % à 46 % et un indice de fluidité à chaud de 0,5 à 4. L'EVA est disponible chez de nombreux fabricants et sous de nombreuses marques, offrant un large choix à des prix compétitifs et avec une disponibilité suffisante. Il suffit aux utilisateurs de consulter la section EVA du site web pour trouver en un coup d'œil la marque, les caractéristiques, le prix et le lieu de livraison, et faire leur choix facilement.
L'EVA est un polymère polyoléfine. De par sa douceur et ses performances, il est similaire au polyéthylène (PE) et au polychlorure de vinyle (PVC) souple utilisé pour les câbles. Cependant, des recherches plus approfondies révèlent la supériorité incontestable de l'EVA par rapport à ces deux matériaux.
2.2 Excellentes performances de traitement
L'EVA, initialement utilisé comme matériau de blindage interne et externe pour les câbles moyenne et haute tension, a ensuite été employé comme barrière pour les combustibles sans halogène. Du point de vue de leur mise en œuvre, ces deux types de matériaux sont considérés comme des « matériaux fortement chargés » : les matériaux de blindage nécessitent l'ajout d'une grande quantité de noir de carbone conducteur, ce qui augmente leur viscosité et réduit considérablement leur fluidité ; les combustibles ignifuges sans halogène requièrent également l'ajout d'une grande quantité d'ignifugeants sans halogène, ce qui augmente fortement leur viscosité et réduit considérablement leur fluidité. La solution consiste à trouver un polymère capable d'intégrer de fortes doses de charge, tout en présentant une faible viscosité à l'état fondu et une bonne fluidité. C'est pourquoi l'EVA est le matériau de choix.
La viscosité de l'EVA fondu augmente avec la température et le taux de cisaillement lors de l'extrusion, puis diminue rapidement. Il suffit à l'utilisateur d'ajuster la température de l'extrudeuse et la vitesse de la vis pour obtenir des produits de câblage et de fils de haute qualité. De nombreuses applications, tant nationales qu'internationales, montrent que pour les matériaux sans halogène à faible émission de fumée et à forte charge, une viscosité trop élevée entraîne un indice de fluidité trop faible. Il est donc nécessaire d'utiliser une vis d'extrusion à faible taux de compression (inférieur à 1,3) afin de garantir une bonne qualité d'extrusion. Les matériaux EVM à base de caoutchouc contenant des agents de vulcanisation peuvent être extrudés aussi bien sur des extrudeuses à caoutchouc que sur des extrudeuses à usage général. La vulcanisation (réticulation) ultérieure peut être réalisée par réticulation thermochimique (peroxyde) ou par réticulation par irradiation aux électrons.
2.3 Facile à modifier et à adapter
Les fils et câbles sont omniprésents, du ciel à la terre, des montagnes à la mer. Les besoins des utilisateurs de fils et câbles sont tout aussi variés et parfois surprenants. Bien que leur structure soit similaire, leurs performances diffèrent principalement au niveau de l'isolation et de la gaine.
À ce jour, tant au niveau national qu'international, le PVC souple représente encore la grande majorité des matériaux polymères utilisés dans l'industrie du câble. Toutefois, la prise de conscience croissante en matière de protection de l'environnement et de développement durable…
L'utilisation des matériaux en PVC étant fortement restreinte, les scientifiques font tout leur possible pour trouver des matériaux alternatifs, dont le plus prometteur est l'EVA.
L'EVA peut être mélangé à divers polymères, ainsi qu'à différentes poudres minérales et adjuvants de transformation compatibles. Les mélanges obtenus permettent de fabriquer des plastiques thermoplastiques pour câbles, ou encore des caoutchoucs réticulés pour câbles. Les formulateurs peuvent, en se basant sur les exigences des utilisateurs (ou les normes), utiliser l'EVA comme matériau de base afin d'obtenir des matériaux aux performances conformes aux spécifications.
3 Gamme d'application EVA
3.1 Utilisé comme matériau de blindage semi-conducteur pour les câbles d'alimentation haute tension
Comme chacun sait, le matériau principal des blindages est le noir de carbone conducteur. L'ajout d'une grande quantité de noir de carbone à un matériau de base en plastique ou en caoutchouc détériore considérablement la fluidité du blindage et la régularité de l'extrusion. Pour prévenir les décharges partielles dans les câbles haute tension, les blindages intérieur et extérieur doivent être fins, brillants et uniformes. Comparé à d'autres polymères, l'EVA répond plus facilement à ces exigences. Ceci s'explique par son procédé d'extrusion particulièrement performant, sa bonne fluidité et sa faible sensibilité à la rupture par fusion. Le matériau de blindage se divise en deux catégories : le blindage intérieur, enveloppant le conducteur extérieur, et le blindage extérieur, enveloppant l'isolant extérieur. Le blindage intérieur est généralement thermoplastique et souvent à base d'EVA avec une teneur en VA de 18 % à 28 %. Le blindage extérieur est généralement réticulé et pelable, souvent à base d'EVA avec une teneur en VA de 40 % à 46 %.
3.2 Carburants thermoplastiques et ignifuges réticulés
Le polyoléfine thermoplastique ignifugé est largement utilisé dans l'industrie du câble, principalement pour répondre aux exigences d'halogène ou d'absence d'halogène des câbles marins, des câbles d'alimentation et des lignes de construction haut de gamme. Sa température de fonctionnement à long terme se situe entre 70 et 90 °C.
Pour les câbles d'énergie moyenne et haute tension (10 kV et plus), soumis à des exigences de performance électrique très élevées, les propriétés ignifuges sont principalement assurées par la gaine extérieure. Dans certains bâtiments ou projets à forte contrainte environnementale, les câbles doivent présenter de faibles émissions de fumée, être exempts d'halogènes et avoir une faible toxicité, voire de faibles émissions de fumée et d'halogènes. Les polyoléfines thermoplastiques ignifuges constituent alors une solution viable.
Pour certaines applications spécifiques, le diamètre extérieur est réduit. Ce câble spécial, résistant à des températures de 105 à 150 °C, est fabriqué en polyoléfine ignifugée réticulée. La méthode de réticulation est choisie par le fabricant en fonction de ses conditions de production : réticulation traditionnelle à la vapeur haute pression ou au bain de sel à haute température, ou encore réticulation par irradiation à température ambiante sous accélérateur d'électrons. Sa température de fonctionnement en continu est divisée en trois catégories : 105 °C, 125 °C et 150 °C. La production peut être adaptée aux exigences des utilisateurs et aux normes en vigueur, avec ou sans halogène et barrière contre les combustibles halogénés.
Il est bien connu que les polyoléfines sont des polymères non polaires ou faiblement polaires. Leur polarité étant similaire à celle des huiles minérales, on les considère généralement comme moins résistantes aux huiles, selon le principe de compatibilité similaire. Cependant, de nombreuses normes de câbles, tant nationales qu'internationales, exigent également une bonne résistance aux huiles, aux solvants, voire aux suspensions huileuses, aux acides et aux bases. Ceci représente un défi pour les chercheurs en matériaux. Aujourd'hui, en Chine comme à l'étranger, des matériaux répondant à ces exigences ont été développés, l'EVA étant le matériau de base.
3.3 Matériau barrière à l'oxygène
Les câbles multiconducteurs à brins multiples présentent de nombreux vides entre les conducteurs qui doivent être remplis pour assurer un aspect arrondi au câble, à condition que le remplissage à l'intérieur de la gaine extérieure soit constitué d'une barrière combustible sans halogène. Cette couche de remplissage agit comme un pare-flammes (à l'oxygène) lors de la combustion du câble et est donc appelée « barrière à oxygène » dans le secteur.
Les exigences de base pour un matériau barrière à l'oxygène sont : de bonnes propriétés d'extrusion, une bonne résistance au feu sans halogène (indice d'oxygène généralement supérieur à 40) et un faible coût.
Cette barrière anti-oxygène est utilisée depuis plus de dix ans dans l'industrie du câble et a permis d'améliorer considérablement la résistance au feu des câbles. Elle convient aussi bien aux câbles ignifuges sans halogène qu'aux câbles ignifuges sans halogène (par exemple, en PVC). De nombreuses études ont démontré que les câbles dotés d'une barrière anti-oxygène réussissent mieux les tests de combustion verticale simple et de combustion en faisceau.
Du point de vue de la formulation du matériau, ce matériau barrière à l'oxygène est en réalité un « ultra-haute charge », car pour répondre aux faibles coûts, il est nécessaire d'utiliser une charge élevée, pour obtenir un indice d'oxygène élevé, il faut également ajouter une proportion élevée (2 à 3 fois) de Mg ( OH) 2 ou Al ( OH) 3, et pour une bonne extrusion, il faut choisir l'EVA comme matériau de base.
3.4 Matériau de gainage en PE modifié
Les matériaux de gainage en polyéthylène sont sujets à deux problèmes : d’une part, ils sont sensibles à la fissuration à chaud (effet peau de requin) lors de l’extrusion ; d’autre part, ils sont sensibles à la fissuration sous contrainte environnementale. La solution la plus simple consiste à ajouter une certaine proportion d’EVA à la formulation. On utilise généralement un EVA modifié, principalement à faible teneur en VA, dont l’indice de fluidité à chaud se situe entre 1 et 2.
4. Perspectives de développement
(1) L'EVA est largement utilisé dans l'industrie du câble, et sa consommation annuelle connaît une croissance progressive et régulière. Au cours de la dernière décennie, en particulier, l'importance de la protection de l'environnement a favorisé le développement rapide des câbles à base d'EVA résistants aux carburants, qui ont partiellement remplacé les câbles à base de PVC. Son excellent rapport qualité-prix et ses performances exceptionnelles lors de l'extrusion en font un matériau difficilement remplaçable.
(2) L'industrie du câble consomme annuellement près de 100 000 tonnes de résine EVA. Le choix de résines EVA, avec une teneur en VA allant de faible à élevée, est limité. Cependant, la taille des entreprises de granulation de matériaux pour câbles étant relativement modeste (quelques milliers de tonnes de résine EVA par an), elles ne représentent pas un enjeu majeur pour ce secteur. Par exemple, pour la fabrication de matériaux de base ignifuges sans halogène, on utilise principalement une résine EVA avec un rapport VA/MI de 28/2 à 3 (comme l'EVA 265 de DuPont aux États-Unis). Or, aucun fabricant national ne produit ni ne fournit actuellement cette spécification d'EVA. De même, la production et la fourniture de résines EVA avec une teneur en VA supérieure à 28 et un indice de fluidité inférieur à 3 sont rares.
(3) En l'absence de concurrence nationale, les entreprises étrangères produisent de l'EVA à des prix élevés, freinant ainsi la production nationale de câbles. Plus de 50 % de la teneur en VA des EVM de type caoutchouc est détenue par des entreprises étrangères, et leurs prix sont 2 à 3 fois supérieurs à ceux des marques nationales. Ces prix élevés influent sur les volumes de production d'EVM de type caoutchouc, incitant l'industrie du câble à encourager les fabricants nationaux d'EVA à augmenter la production locale. L'utilisation accrue de résine EVA dans l'industrie a ainsi conduit à une augmentation de la production nationale.
(4) S'appuyant sur la vague de protection de l'environnement à l'ère de la mondialisation, l'EVA est considéré par l'industrie du câble comme le meilleur matériau de base pour les câbles résistants aux combustibles, respectueux de l'environnement. L'utilisation de l'EVA progresse de 15 % par an et les perspectives sont très prometteuses. La production de matériaux de blindage et de câbles d'énergie moyenne et haute tension, ainsi que leur taux de croissance, se situent entre 8 % et 10 %. Les résistances en polyoléfine connaissent une croissance rapide, se maintenant entre 15 % et 20 % ces dernières années, et devraient conserver ce rythme de croissance au cours des 5 à 10 prochaines années.
Date de publication : 31 juillet 2022